37MK - Mobilní komunikace Semestrální práce Antény v systému GSM Petr Bláha 10. duben 2006
Antény v systému GSM Základní vlastnosti systému GSM Mobilní systém používá frekvenční pásmo 890 960 MHz. Tato varianta systému se označuje jako PGSM. Později vznikla další varianta systému EGSM 1, která pro komunikaci mezi mobilními a základnovými stanicemi využívá stejného frekvenčního pásma, ale liší se vyšším počtem uživatelských kanálů. Pokud se jedná o kmitočty patří oba systémy do skupiny GSM 900. Jiné frekvenční pásmo využívá systém GSM 1800. Pracuje v rozmezí frekvencí 1710 1880 MHz. Systém GSM z hlediska plošné struktury patří mezi celulární radiokomunikační systémy. Skládá se z buněk, z nichž každá je obsluhována jednou základnovou stanicí BTS (Base Transceiver Station) a pokryta signálem prostřednictvím na ni připojených antén. Vždy několik základnových stanic je pod dohledem řídící jednotky BSC (Base Station Controller). Jednotky BSC jsou pak dále připojeny na mobilní radiotelefonní ústřednu MSC (Mobile Switching Center). Spojení těchto ústředen s řídícím centrem systému, se servisním centrem a s registry a databázemi pak vymezuje území pod kontrolou daného operátora. Každá BTS má podle pokynů BSC k dispozici určitý omezený počet rádiových kanálů a tedy sadu nosných frekvencí, které smí ve své buňce použít. V případě předpokládané větší hustoty výskytu mobilních účastníků lze jednotlivé buňky dále dělit na sektory (obvykle 2 až 3). V každém ze sektorů jsou v teoretickém případě použity všechny rádiové kanály, které má BTS k dispozici a dojde tedy k násobnému zvýšení kapacity buňky. Zatímco sousední buňky nemají mezi svým územím pokud jde o dosah signálů ostré hranice a částečně se více či méně překrývají, sousední sektory jedné buňky se překrývat nesmějí. Docházelo by totiž k interferencím mezi nosnými kmitočty. Podle rozlohy pokrytého území se buňky GSM dělí na několik typů. Největší jsou makrobuňky (macrocells), mají poloměr až desítky km a používají se v oblastech s malou koncentrací účastníků. Poněkud menší jsou mikrobuňky (microcells) s poloměrem do 1 km a nejmenší jsou pikobuňky (pikocells), které se používají v místech s vysokou koncentrací mobilních účastníků (nádražní haly, obchodní domy, patra výškových budov atp.). Zvláštním případem jsou takzvané deštníkové buňky (umbrella cells), které vykrývají signálem prázdná místa mezi menšími buňkami nebo se používají v místech, kde dochází k rychlým změnám polohy mobilních účastníků (dálnice apod.). Parametry a vlastnosti antén systému GSM Z hlediska rozdělení antén GSM hraje významnou roli zejména jejich směrová charakteristika. Podle tvaru charakteristiky v horizontálním řezu se antény rozdělují do dvou základních skupin na antény všesměrové a směrové. Všesměrové antény mají v horizontální rovině směrovou charakteristiku ve tvaru kružnice a září tedy v ideálním případě ve všech směrech stejně. 1 Extended GSM 1
Obrázek 1: Směrová charakteristika všesměrové antény, a) horizontální rovina, b) vertikální rovina Oproti tomu směrové antény mají směrovou charakteristiku namířenu určitým směrem. Vyznačují se tedy větší či menší směrovostí. Ta je vyjádřena jako úhlová šířka hlavního laloku v místě, kde intenzita pole poklesne o 3 db. U směrových GSM antén se šířka svazku pohybuje obvykle v rozmezí 65 až 200. Významnou roli hraje také směrová charakteristika ve vertikální rovině. Velmi se podobá charakteristice v horizontální rovině, ale úhlová šířka hlavního laloku bývá podstatně menší. V souvislosti s vertikální směrovou charakteristikou je třeba zmínit jeden důležitý pojem, a sice downtilt. Downtilt (česky lze vyjádřit jako sklon dolů ) je odklonění osy hlavního laloku směrem dolů od horizontální osy vertikální vyzařovací charakteristiky. Downtilt slouží k nastavování potřebného dosahu signálu vysílací antény. Zvýšením downtiltu se hlavní směr šíření signálu skloní k zemi a tím se sníží dosah antény, což má význam při plánování pokrytí dané lokality signálem. Downtilt může být buď mechanický nebo elektrický. Mechanický downtilt se nastavuje až při samotné instalaci antény na anténní stožár nebo budovu. Nastavení se provádí pomocí speciálních montážních prvků a přístrojů. Oproti tomu elektrický downtilt je dán konstrukcí antény a často bývá pevně nastaven výrobcem, i když některé speciální typy dovolují i dodatečné nastavení elektrického downtiltu. Standardní hodnota elektrického downtiltu se pohybuje obvykle v rozmezí 0 až 15. Pro úplnost nutno dodat, že v této souvislosti se lze setkat i s výrazně méně používaným pojmem uptilt (mechanický), což je odklon směrem nahoru. Používá se buď v případech, kdy anténa leží například v údolí a musí tedy pokrývat poněkud výše položená místa, nebo také pokud se v dané lokalitě počítá s postupným zahušťováním sítě. Tehdy se použije anténa s elektrickým downtiltem a ten se kompenzuje mechanickým uptiltem a později po zahuštění sítě se mechanický uptilt odstraní a osa šíření signálu se tak skloní. Antény se dále liší mechanickou konstrukcí, která pochopitelně souvisí s předpokládaným umístěním. Podle určeného umístění se antény dělí na antény pro venkovní instalace (outdoor) a vnitřní instalace (indoor). Venkovní antény jsou z pochopitelných důvodů velmi často umístěny na otevřených vyvýšených místech a jsou tak vystaveny nepřízni počasí. Proto jsou konstruovány z kvalitních a odolných materiálů tak, aby plnily svoji funkci bez ohledu na nepřízeň počasí. Musejí být dostatečně pevně fixovány na stabilním stožáru, aby ani při prudkých poryvech větru nedošlo k odchýlení z původní polohy. Jako 2
materiál pro všesměrové antény (tyč) se používá převážně mosaz, která je chráněna pláštěm ze skelných vláken. Pro reflektory a dipólové prvky u směrových antén je použit téměř výhradně hliník. Bývají také chráněny pouzdrem ze skelných vláken. Pro montáž a fixaci polohy antény se doporučuje použít šrouby z nerezavějící oceli. Diverzita Technika diverzitního příjmu se používá pro potlačení rušivých jevů, které působí na signál během jeho šíření mezi mobilní stanicí a základnou. Tyto rušivé jevy se projevují kolísáním úrovně signálu v místě příjmu. Jev se obecně označuje jako únik (fading). Příčin může být několik. Mohou to být terénní překážky mezi mobilní stanicí a základnou, které způsobují mnohocestné šíření signálu (odrazy), případně samotný pohyb mobilní stanice vůči základně. Často bývá únik také způsoben mnohacestným šířením signálu mezi vysílačem a přijímačem, což je charakteristické pro oblasti s hustou zástavbou, kde dochází k mnoha odrazům od různých objektů. Při odrazech dochází navíc často ke změnám polarizace přenášeného signálu. Kombinací těchto jevů se vytvářejí díky superpozici různých signálů mezi vysílačem a přijímačem lokální (časově proměnná) maxima a minima signálu a proto jsou rozdílné i podmínky příjmu v různých bodech prostoru. Z praxe je zjištěno, že rozdíly intenzity signálu mohou v rámci několika málo metrů dosahovat 20 30 db. Techniky diverzitního příjmu jsou u systému GSM aplikovány pouze na přijímací straně základnových stanic (uplink), neboť mobilní stanice mají relativně malý výkon a navíc velmi krátkou anténu, proto je vysílaný signál slabší a tedy citlivější na rušení. Pro směr opačný (downlink) je signál dostatečně silný. Navíc diverzitní systém na straně mobilní stanice by byl velmi obtížně realizovatelný. Diverzitní příjem lze v praxi řešit několika způsoby: Diverzitní systém s prostorovým výběrem je tvořen jednou anténou vysílací a několika (nejčastěji dvěma) anténami přijímacími, které jsou od sebe vzdáleny několik vlnových délek. Každá z přijímacích antén je připojena k samostatnému přijímacímu obvodu a výsledný signál se získá buď sečtením všech přijímaných signálů nebo vhodným výběrem některého z přijímaných signálů. Poměrně často bývá jedna z antén současně přijímací i vysílací, v takovém případě jsou použity dvě antény - jedna pro vysílání i příjem a druhá pouze pro příjem. Diverzitní systém úhlovým výběrem. Má podobnou konstrukci jako předchozí systém, ale používá směrových antén. Ty jsou nastaveny do různých směrů a přijímají signály odražené od okolních objektů. Diverzitní systém s polarizačním výběrem. Jak již bylo zmíněno, vlivem odrazů od překážek dochází ke změnám polarizace původně vertikálně polarizovaného signálu. Metoda polarizačního výběru spočívá v použití dvou přijímacích antén, jedné s vertikální a druhé s horizontální polarizací. Obě antény mohou být přitom instalovány 3
v jednom pouzdře. Pokud anténu s vertikální polarizací použijeme pomocí duplexeru zároveň jako vysílací, je třeba k instalaci tohoto systému pouze jedna anténa, což je nespornou výhodou při montáži. Speciálním případem je polarizace +45 / 45. Zde jsou místo horizontální a vertikální antény použity dva přímé dipóly, zkřížené do tvaru písmene X. V tomto případě jsou obě antény za pomoci duplexeru použity pro příjem i pro vysílání. Typy a konstrukce antén GSM Všesměrové antény - konstrukce a vlastnosti Všesměrové antény systému GSM mají podobu rukávového dipólu. Je to rameno např. půlvlnného dipólu, na které je připojen střední vodič koaxiálního vedení a přes plášť napáječe je převlečena trubka (rukáv) o délce čtvrtiny vlnové délky. Vnější povrch rukávu tvoří druhé rameno dipólu. S pláštěm koaxiálního napájecího kabelu je spojena na horním konci a na dolním konci je vysokofrekvenčně izolována od nosné konstrukce. Antény s všesměrovou horizontální směrovou charakteristikou se liší především tvarem vertikální směrové charakteristiky a vyzařovaným výkonem. Tvar vertikální směrové charakteristiky souvisí s délkou antény, přesněji s poměrem délky antény a vlnové délky vysílaného signálu. Čím delší je anténa vzhledem k polovině vlnové délky, tím užší je její hlavní lalok. S každým dvojnásobným prodloužením antény se zvětší zisk antény oproti půlvlnnému dipólu na dvojnásobek a navíc se výrazně zvýší směrovost charakteristiky ve vertikální rovině. Další ze způsobů rozdělení antén GSM je dle místa instalace. Jsou to antény pro venkovní instalace (outdoor) a antény pro vnitřní instalace (indoor). Všesměrové antény se používají zejména v oblastech s menší hustotou uživatelů a kde je signálem z antény pokryta celá buňka. Obrázek 2: Směrová charakteristika směrové antény 4
Obrázek 3: Příklad napájení anténní soustavy pro příjem i vysílání v obou polarizacích. Směrové antény - konstrukce a vlastnosti Spojením dipólů do soustav lze dosáhnout větší či menší směrovosti a nenulového zisku antén. Nejpoužívanější směrovou anténou pro GSM je tzv. panelová anténa (panel antenna). Starší konstrukce antén používaly soustavu dipólů pouze pro vertikální polarizaci a zvláštní panelový anténní systém pro každé pásmo GSM 900 a GSM 1800. Později byly vyvinuty antény, které dokázaly přijímat navíc signály s horizontální polarizací pro diverzitní systém s polarizačním výběrem. Postupný vývoj dospěl k dnešní podobě nejnovějších anténních soustav, které používají polarizaci, jsou konstruovány pro obě pásma GSM a umožňují plynulé nastavení elektrického downtiltu. Navíc jsou za pomoci duplexeru použitelné současně pro vysílání i pro příjem. K plnému obsloužení daného sektoru pak stačí pouze jedna taková anténa. Rozmístění dipólů před reflektorem má kromě polarizace také pochopitelně vliv na směrové charakteristiky. Počet dipólů nad sebou má vliv zejména na vertikální směrovou charakteristiku, velice zjednodušeně podobným principem, jako u všesměrových antén. Směrové antény se používají v oblastech s vyšší koncentrací uživatelů hlavně při rozdělení buněk na sektory. 5
Závěr Z poznatků o konstrukci antén pro frekvenční pásma systému GSM vyplývá, že takřka všechny tyto antény využívají v principu vlastností půlvlnného dipólu. Důvodem je snadná konstrukce a relativní jednoduchost nastavení parametrů spojená s velmi dobrými výsledky v praxi. Vývoj v této oblasti se týká nalézání nových řešení anténních systémů z hlediska zlepšení zisku a optimalizace nastavení směrové charakteristiky. Dále také vývoj směřuje k integraci více anténních systémů do jednoho pouzdra, což dokládají nová řešení antén pro systémy GSM a UMTS. S vývojem a budoucím nástupem technologií 3G jsou kromě speciálních navrhovány a produkovány také anténní systémy společné pro GSM i UMTS. Literatura [1] www.elektrorevue.cz [2] Mazánek, Miloš - Pechač, Pavel. Antény a šíření vln. Skriptum ČVUT. [3] www.webofscience.com 6